شبیه سازی دینامیک مولکولی چیست؟ – اهمیت و مراحل انجام آن

شبیه سازی دینامیک مولکولی به عنوان روشی که وابسته به کامپیوتر بوده و با استفاده از آن، با مطالعه خواص میکروسکوپی در یک سیستم می توان به خواص ماکروسکوپی آن سیستم دست یافت. برای این که شرایط برای چنین مطالعه ای فراهم باشد، موقعیتی برای اتم های آن سیستم به وجود می آورند تا در یک بازه زمانی مشخصی بتوانند این اتم ها با هم بر هم کنش داشته باشند. معادله ای که در شبیه سازی دینامیک مولکولی برای اتم های سیستم حل می شود، معادله ی حرکت نیوتن است. شبیه سازی دینامیک مولکولی در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرد.

شبیه سازی دینامیک مولکولی چیست؟

با شبیه سازی می توان با توجه به ساختار و برهم کنش های اتم و یا مولکول های تشکیل دهنده یک سیستم، به بسیاری از خواص کل مجموعه پی برد. از مهمترین تکنیک های روش های شبیه سازی، دینامیک مولکولی است. با شبیه سازی دینامیک مولکولی، با بررسی خواص میکروسکوپی پی به خواص ماکروسکوپی یک سیستم برده می شود. تجزیه و تحلیل حرکت فیزیکی اتم ها و مولکول ها در یک سیستم با دینامیک مولکولی انجام می شود. در این فرآیند به مولکول ها و اتم ها، فرصت برهم کنش با یکدیگر در بازه زمانی مشخص داده می شود. تعداد اجزای تشکیل دهنده هر سیستم زیاد بوده و به همین جهت برای تعیین خواص آن ها، از حل معادله های عددی استفاده می شود.

این شبیه سازی فقط با استفاده از کامپیوترها انجام می شود. همچنین این موضوع می تواند قانون نسبیت فیزیک و مکانیک کوانتوم را نیز مورد توجه قرار دهد. قانون نسبیت می تواند در سرعت هایی که از سرعت نور زیادتر هستند، به توضیح چگونگی انتقال اطلاعات بپردازد. اصل عدم قطعیت نیز در مبحث مکانیک کوانتوم مورد بررسی قرار می گیرد.

اهمیت شبیه سازی دینامیک مولکولی

از مهمترین مطالعات در نیم قرن اخیر، توضیح ساختار و عملکرد مولکول های بزرگ زیستی است. از زمانی در این زمینه مطالعاتی، پیشرفت حاصل شد که واتسون و کریک توانستند، از مولکول DNA، ساختار سه بعدی ارائه دهند. با بیان این ساختار، اطلاعات زیادی درباره ساختار پروتئین ها به دست آمد. نتیجه ای که از این مطالعات حاصل شد نشان داد که پروتئین ها برای این که بتوانند فعالیت درستی را انجام دهند، باید دارای دینامیک ساختاری باشند. یکی از ابزارهای مهمی که بررسی دینامیک ساختارها در بازه زمان های خیلی کوچک را حل کرده است، کامپیوتر است.

چگونگی انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی

در شبیه سازی مورد بحث با استفاده از یک کامپیوتر، در یک بازه زمانی مشخص می توان رفتار مولکول های بزرگی چون پروتئین ها را با به کار بردن معادلات حرکت نیوتن و توابع انرژی پتانسیل به دست آورد. در طول زمانی که شبیه سازی اتفاق می افتد، روند تغییرات ساختاری ایجاد شده در نهایت ایجاد می شود. این که این تغییرات در این شبیه سازی چگونه اتفاق می افتد، منعکس کننده دینامیک سیستم و یا مولکول است.

شرایطی که به طور معمول، شبیه سازی ها در آن ها انجام می شود، حالت حجم، دما و تعداد اتم های ثابت سیستم است. امروزه شرایط فشار، دما و تعداد ثابت اتم ها نیز برای شبیه سازی انجام گرفته است. چه بسا در این شرایط، هماهنگی بیشتری بین نتایج به دست آمده از شرایط آزمایشگاهی و شبیه سازی وجود دارد.

مراحل شبیه سازی دینامیک مولکولی

مرحله آغاز

مرحله اول در شبیه سازی، آماده کردن یک ساختار اولیه به عنوان نقطه شروع است که می تواند به شکل تعیین یک ساختار به عنوان نقطه شروع در زمان آغاز (t = 0) باشد. ساختار اولیه ای که در اکثر این شبیه سازی های مولکول های بزرگ زیستی به عنوان ساختار اولیه در نظر گرفته می شود، ساختاری است که با استفاده از روش های طیف سنجی رزنانس مغناطیسی هسته و کریستالوگرافی تعیین شده باشد. در صورت مشخص نشدن ساختارها با استفاده از دو روش مذکور، ساختارهای مدل سازی شده به عنوان ساختار اولیه در نظر گرفته می شوند. چون این مرحله تعیین کننده کیفیت فرآیند شبیه سازی است، به همین دلیل بسیار حائز اهمیت است.

بعد از انتخاب ساختار مناسب، سعی می شود که انرژی ساختار به کمترین حد خود برسد. بدین ترتیب که برهمکنش های واندروالسی موقعیت نامناسب که انرژی های زیادی را متحمل می شوند، کنار گذاشته می شود. پس بهترین ساختارها که دارای پیوندهای الکتروستاتیک در نتیجه برهم کنش های مناسب هستند، اجازه تشکیل داده می شوند. در مورد ماکرومولکول های پروتئین، با افزودن آب، این مولکول ها را در محیط آبی قرار داده شده و وارد جعبه ای می شود. این کار قبل از کم کردن میزان انرژی انجام می شود.

مرحله افزایش دمای سیستم

سرعت ابتدایی هر کدام از اتم های تشکیل دهنده یک سیستم، به شکل تصادفی در دماهای کم مشخص می شود. آغاز حرکت سیستم در یک بازه زمانی با به کار بردن معادلات حرکتی نیوتن تعیین می شود. با شروع شبیه سازی دینامیک مولکولی در این مرحله، دما زیاد شده و سرعت های بعدی به ترتیب در دماهای بالا مشخص می شود (اما سرعت ابتدایی در پایینترین دما تعیین می شود). ادامه شبیه سازی تا جایی انجام می گیرد که دمای آن به دمایی که مورد نظر بوده، برسد. شرایط انجام شبیه سازی به شکل تعداد اتم، دما و حجم و ثابت است.

متعادل سازی شبیه سازی

بعد از مرحله افزایش دمای سیستم و رسیدن آن به دمای مد نظر و همچنین ادامه شبیه سازی در شرایط دما، حجم و تعداد اتم ثابت (NVT)، کنترل سیستم تحت شرایط دیگری انجام می شود. فشار، دما، انرژی و شکل ساختار، شرایط مذکور کنترل سیستم است. در نتیجه وقتی بین رفتار سیستم و زمان، پایداری مناسبی برقرار شد، تعادل در سیستم اتفاق می افتد.

مرحله تولید

بعد از مراحل گفته شده در بالا، تعادل در سیستم برقرار می شود. تعادل سیستم با استفاده از تغییراتی انرژی کل آن در طول زمان ثابت و تایید می شود. بعد از تایید، تولید و تشکیل ساختار در شبیه سازی شروع می شود. مدت زمانی که تغییرات انرژی انجام می شود می تواند بین چند صد پیکوثانیه تا چندین نانو ثانیه باشد. محاسبه خواص ساختاری و ترمودینامیک در زمان انجام می شود.

توصیف و تحلیل نتایج شبیه سازی دینامیک مولکولی

ساختارهایی که در طول یک شبیه سازی ایجاد می شود و همچنین سرعت ها در این فرآیند حفظ و نگهداری می شود تا از این اطلاعات برای ارزیابی استفاده شود. در مورد کمیت هایی که متناسب با زمان هستند، برای ارزیابی و تحلیل از نمودارهایی استفاده می شود که یکی از محورهای آن، محور زمان و دیگری محور کمیت مورد بررسی، خواهد بود. بعد از به دست آمدن ساختار میانگین در این ارزیابی، مقایسه آن با ساختار تجربی انجام می شود. تغییرات ساختاری اتفاق افتاده در یک ماکرومولکول و همچنین انعطاف پذیری قسمت های متفاوت مولکول، با به کار گرفتن فرآیند شبیه سازی مذکور، قابل درک خواهد بود.

محاسبه کمیت ها

محاسبه کمیت هایی چون میانگین انرژی، اختلاف ریشه میانگین مربعات دو ساختار و نوسانات ریشه میانگین مربعات با استفاده از شبیه سازی قابل محاسبه است. شعاع ژیراسیون نیز از کمیت های دیگر قابل محاسبه در این فرآیند است. در این فرآیند شبیه سازی، معادله حرکت نیوتن برای همه اتم هایی که در یک سیستم با هم برهم کنش دارند، حل و محاسبه می شود. تابع پتانسیل، نیروهای مورد نیاز برای حل معادلات لازم را به دست می آورد.

برای همه اتم ها، معادلات به صورت یک جا و در بازه های زمانی بسیار کوچک، حل می شود. خروجی محاسباتی که در شرایط دما و فشار ثابت و و در یک بازه زمانی مشخص است، موقعیت ذرات تشکیل دهنده است. با خروجی سیستم که مسیر trajectory نامیده می شود، می توان لحظه ی بعدی سیستم را پیش بینی کرد. بعد از رسیدن به حالت تعادل، می توان بیشتر خواص ماکروسکوپی را با میانگین گیری از مسیر سیستم به دست آورد.

اهمیت دینامیک مولکولی پروتئین ها در عملکرد

با توجه به نوع ساختمان سه بعدی که پروتئین ها دارند، آن ها فعالیت و عملکرد متفاوتی خواهند داشت. چون به دلیل حرکت های گرمایی، محل قرارگیری اتم ها در پروتئین ها، تغییر می کند، میانگین این رویدادها، می تواند در تعیین ساختار سه بعدی آن ها کمک زیادی بکند. به عبارتی حتی با وجود ثابت بودن حالت ماکروسکوپی، در حالت میکروسکوپی آن ها تفاوت وجود دارد. با توجه به اهمیتی که به طور دقیق، عملکرد مولکول ها دارد، با وجود تفاوت اندک در حالت میکروسکوپی، این تفاوت ها قابل صرف نظر کردن نخواهند بود. پس ساختار هر مولکول، میانگینی از ساختارهای نزدیک به هم آن هاست.

تعادل و پویایی لازم برای تامین موارد مورد نیاز در مراحل مختلف برای عملکرد یک مولکول، توسط حرکت های درون مولکولی پروتئین ها فراهم می شود. از میان این حرکت ها با جهت های مختلف، حرکتی با احتمال بالاتر، مهم تر است. مطالعات دینامیکی با توجه به مطالب گفته شده، در شناسایی روابطی که بین حرکت های درون مولکولی و عملکرد آن ها وجود دارد، اهمیت پیدا می کند.

مشکلات روش های تجربی مطالعه ساختار سه بعدی ماکرومولکول ها

دو مشکل در سر راه مطالعات مربوط به تعیین ساختار مولکول ها به روش تجربی وجود دارد. یکی از این مشکلات زمان بسیار کوتاه در حد فمتو ثانیه است. مشکل دیگری که وجود دارد، ثبت اطلاعات فقط یک مولکول، توسط این روش است. بنابراین استفاده ار شبیه سازی کامپیوتری، بهترین گزینه برای مطالعه روی حرکت های درون مولکولی خواهد بود. در این روش مطالعه، شبیه سازی نیروی های وارد شده از سمت اتم ها با استفاده از مدل میدان نیرو و همچنین حرکت اتم ها با استفاده از قوانین فیزیک نیوتنی، انجام می شود. با این روش می توان به جزئیات زیادی درباره حرکت های بین مولکولی دست یافت. دو روش ریاضی کاربردی در این زمینه، نقشه های همبستگی های تقاطعی پویا و تحلیل حرکت های اصلی است.